Computeranimationen im naturwissenschaftlichen Unterricht

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1 NWA-Tag Modelle 2014 Computeranimationen im naturwissenschaftlichen Unterricht am Beispiel einfacher Maschinen im Fach Physik und der Redoxreaktion im Fach Chemie vorgelegt von: Tobias Balogh, Benjamin Fruth, David Schmauz, Martin Selch, Stefanie Traub 0

2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort Kriterien für Computeranimationen im Unterricht Bezug zum Bildungsplan Die Computeranimation Beschreibung der Animationen Reflexion Literaturverzeichnis Verwendete Software

3 1. Vorwort Modelle und Analogien werden in vielen Bereichen des Lebens eingesetzt, um sinntragende Vorstellungen zu entwickeln und Verständnisprozesse anzubahnen. Animationen als wesentliche Bestandteile multimedialer Lernumgebungen im Unterricht der Sekundarstufe I bieten die Möglichkeit, Prozesse oder dynamische Systeme modellhaft darzustellen und zu beschreiben. Auch im naturwissenschaftlichen Unterricht kann ein Rückgriff auf solche Modelle gewinnbringend sein. Dementsprechend sollte der Modellbegriff genauso wie grundlegende Modelle fester Teil des Unterrichts in der Sekundarstufe I sein. Gerade im naturwissenschaftlichen Unterricht ist der Zugang zu vielen Themen nur über Modelle effektiv möglich, außerdem bauen später nötige Abstraktionen auf diesen auf. Um die Schülervorstellungen in den gängigen Modellen zu unterstützen, sollen im Folgenden einfache Modelle, welche in der Regel statisch sind, durch Computeranimationen dynamisch werden. Durch diesen dynamischen Charakter soll den Schülern 1 der Zugang zu den Modellvorstellungen vereinfacht werden. 2. Kriterien für Computeranimationen im Unterricht Computeranimationen können zum einen als Informationsvermittler und zum andern als Lernwerkzeug verwendet werden. Wird die Computeranimation als Informationsvermittler genutzt, so kann bspw. die Modellvorstellung parallel zu einem Versuch visualisiert werden. Die Hoffnung beim Einzug der PC-Technologie in die Schule, den Computer als starkes Repräsentationsmedium verwenden zu können, wurde nicht erfüllt. So wurden in den letzten Jahren kaum Computeranimationen oder anderweitige Programme in den Naturwissenschaften entworfen. Wenn Bemühungen in diese Richtung getätigt wurden, so meistens im Sinne einer Unterstützung der Informationsvermittlung und weniger als Lernwerkzeug, um sich Inhalte selbst zu erarbeiten. Die Informationsvermittlung ist sehr lehrerzentriert, da dieser entscheidet, wann er welche Animation oder Information für hilfreich hält, um diese den Schülern zu präsentieren. Dennoch muss man auch bei einfachen Animationen ein paar Punkte beachten, um keine Überforderung der Schüler zu bewirken (vgl. Schanze, 2006). 1 Nachfolgend wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur das generische Maskulinum verwendet. 2

4 Aktuelle Modelle und Erkenntnisse der Lernforschung: Man ist sich heute sicher, dass bei einer multimedialen Präsentation von Wissen zum Teil andere lernpsychologische Mechanismen greifen als bei konventionellen Medien. Jedoch sind die empirischen Befunde konkret auf den naturwissenschaftlichen Unterricht bezogen sehr gering. Auf Grundlage der kognitiven Theorie des Multimedialernens von Mayer können Kriterien für den sinnvollen Einsatz von Computeranimationen definiert werden. Nach der auf die Doppelkodierungstheorie nach Paivio aufbauende Theorie gibt es ein akustisches und ein visuelles Arbeitsgedächtnis mit jeweils limitierten Speichern. 2 Gelernt wird, wenn sinnvolle Verknüpfungen zwischen diesen beiden Arbeitsgedächtnissen geschaffen werden können. Erst wenn dies erreicht ist, wird das Wissen im Langzeitgedächtnis abgelegt. Unzureichende Repräsentationen oder die Überfrachtung eines Sinneskanals können für den Lernprozess hinderlich sein. Aus diesem Grund ist das Verhältnis zwischen bildlicher und textlicher (akustischer und textbasierter) Information wichtig. Mayer u.a. (vgl. Eilks, 2004) kommen in einer Studie zu dem Schluss, dass Lernen mit animiert bildlicher Information am effektivsten stattfindet, wenn textliche Informationen parallel zum Ablauf gesprochen werden. (Eilks et. al., 2004, S. 3) Am lernwirksamsten ist es, wenn Computeranimationen gezeigt werden (also die bildlichen Informationen) und anschließend eine gesprochene Information erfolgt, zu der der Text visuell eingeblendet wird. Hierbei ist es wichtig, dass die gesprochenen Informationen anschließend und nicht während der Animation erfolgen, da sonst eine Überlastung des Arbeitsgedächtnisses die Folge ist. Es muss darauf geachtet wer- 2 Bildquelle: /fachgruppe _chemieunterricht stellungnahme.pdf 3

5 den, dass die Informationsdichte nicht zu hoch ist. Wenn dies der Fall ist, so ist eine statische Illustration einer animierten überlegen, da die Schüler nicht durch die animierte Darstellung abgelenkt und überfordert werden. Nicht nur die Dichte der Informationen ist für den Lernzuwachs durch Animationen in den Naturwissenschaften wichtig, auch das Vorwissen spielt eine Rolle (vgl. Eilks, 2004; Teske 2011). So können starke Schüler einen geringeren Lernzuwachs als schwächere Schüler verbuchen. Deshalb ist es besonders für multimediale Lernumgebungen wichtig die Lernvoraussetzungen zu kennen, um die Animationen passend zu diesen anbieten zu können (vgl. Eilks, 2004). Um Prozesse besser erklären zu können, kann die Computeranimation verwendet werden. Durch die Computeranimation werden Abläufe leichter verständlich oder die Erklärung der Lehrperson zu diesen überflüssig, dadurch kann die Lehrperson sich gezielter auf die Erklärung der Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten konzentrieren (vgl. Teske, 2011). Die Computeranimation sollte nicht zu wenig oder zu viel Raum für Entdeckungen haben. Wenn die Programme den Schülern zu wenige Möglichkeiten der Entdeckung geben, so ist keine Motivation und Differenzierung zu erreichen. Wenn es zu viele Möglichkeiten der Einstellungen gibt, so entsteht eine Desorientierung und kognitive Überlastung. Daher ist ein Kompromiss die Lösung. Um eine Bereicherung des Unterrichts zu erreichen, sollten die Animationen auf den Voraussetzungen der Schüler aufbauen. Dies ist eine Herausforderung, da in einer Klasse eine gewisse Heterogenität vorhanden ist. Deshalb ist es so schwierig geeignete Animationen oder andere Lernprogramme für die Schule zu gestalten. Die auf dem Markt vorhandenen Programme sind ausnahmslos von Universitäten und behandeln Einzelphänomene oder Gesetzmäßigkeiten (vgl. Eilks, 2004). 3. Bezug zum Bildungsplan Der Einsatz einer Computeranimation im naturwissenschaftlichen Unterricht ist im Bildungsplan 2004 für die Realschulen im Fächerverbund Naturwissenschaftliches Arbeiten (NWA) zunächst in der Leitidee Kompetenzerwerb durch Denk- und Arbeitsweisen begründet. Hier fordert der Bildungsplan, dass die Schüler Gesetze, Modelle und Konzepte zur Erklärung heranziehen (Bildungsplan 2004, S. 97) und Begriffe oder Modelle bilden und Zusammenhänge formulieren können. Ein weiterer wichtiger Kompetenzbereich, ist, dass die Schüler Modellversuche und Simulati- 4

6 onen planen und durchdenken können (ebd., S. 97). Auch mit der r Leitidee Antwor- einer ten und Erkenntnisse durch Kommunikation und Kooperation kann der Einsatz Computeranimation im Unterricht begründet werden. In diesem d Bereich verlangt der Bildungsplan einerseits, dass die Schüler auf Modellebene denkenn und eigene Mo- sich delle entwickeln (ebd., S. 97) können, andererseits sollen sie mit Modellen selbst und anderen Phänomene beschreiben, dem Verstehen zugänglich machen und in einen Kontext einordnen (ebd., S. 97) können. 4. Die Computeranimation 4.1 Beschreibung der Animationen Hebel In der ersten Simulation können diee Schüler die Zusammenhängee von Kräften und Hebeldimensionen erfahren, der Angriffspunkt ist dabei an a jeweils einem derr beiden Hebelarme beliebig verstellbar. Diesee Simulation wurde erstellt e mit der Freeware Dy- nageo. 5

7 4.1.2 Hangabtriebskraft Redoxreaktion Die zweite Animation stellt die auftretenden Kräfte an der schiefenn Ebene dar. Verdes Ge- änderliche Größen sind hier der Neigungswinkel der Ebene und die Masse wichtsstücks (Gewichtskraft). Auch diese Animation wurde mit der Freeware Dy- nageo erstellt In der dritten Animation wird die Redoxreaktion von Eisenoxid undd Aluminiumm simuliert. Die dritte Animation unterscheidet sich von den beiden voranstehenden Anima- 6

8 tionen dadurch, dass sie eine Erweiterung einer einfachen PowerPoint-Präsentation ist. 4.2 Reflexion Aufgrund der Erstellung der dargestellten Animationen und eingehenden Überlegungen zur Umsetzung im Unterricht lassen sich einige Vor- und Nachteile feststellen. Nachfolgend sollen zunächst die Vor- und Nachteile der beiden verwendeten Programme aufgelistet werden. Vorteile einfache intuitive Bedienung der erstellten Animationen DynaGeo ist eine kostenlose Software Die Ausstattung der Schulcomputer mit Microsoft Office ist Standard Nachteile hoher Zeitaufwand bei der Erstellung der PowerPoint-Animation anspruchsvolle Einarbeitung in die Bedienung der Software DynaGeo für Laien Überschneidungen statischer und dynamischer Sichtweise bei PowerPoint-Animationen Abschließend werden die Vor- und Nachteile des Einsatzes einer Computeranimation im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgezeigt. Vorteile flexibler Einsatz durch selbst erstellte Animationen dynamische Aspekte können entdeckt werden keine Reizüberflutung durch unnötige Informationen und regelbare Elemente geringer Materialaufwand Nachteile Technische Ausstattung der Schule Pseudodynamik bei PowerPoint- Animationen Aufwand, Ertrag? 7

9 5. Literaturverzeichnis Eilks, Ingo; Krilla, Bodo; Flintjer, Bolko; Mööencamp, Hartwig; Wagner, Walter (2004): Computer und Multimedia im Chemieunterricht heute - Eine Einordnung aus didaktischer und lerntheoretischer Sicht. Unter Mitarbeit von Sascha Schanze Tortsen Witteck Verena Pietzner. Hg. v. Fachgruppe Chemieunterricht Arbeitsgruppe Computer Chemieunterricht Im Gesellschaft Deutscher Chemiker. [Online verfügbar unter /imperia/md/content/didaktik_der_chemie/computerkurs/fachgruppe_ chemieunterricht stellungnahme.pdf, zuletzt geprüft am ] Girwitz, Raimund; Rubitzko, Thomas; Spannnagel, Christian (2004): Animationen in multimedialen Lernumgebungen. Tagungsband der DPG- Frühjahrstagung. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (2004): Bildungsplan Realschule. Pitton, Anja (2006): Lehren und Lernen mit neuen Medien. [Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Band 26 ; (32.) Jahrestagung der GDCP in Paderborn 2005]. Berlin: LIT-Verl. Teske, Hartmut (2011): Didaktische Aspekte des Einsatzes von technischen Animationen in der beruflichen Bildung für heterogene Schülergruppen. Hg. v. Lernen & Lehren. 6. Verwendete Software Mechling, Roland: EUKLID DynaGeo LibreOffice Impress 8